Разработка и исследование методов компенсации динамической температурной погрешности интегральных тензопреобразователей

дипломная работа

2.2 Факторы, определяющие температурную зависимость характеристик тензопреобразователей

Температурная зависимость характеристик интегральных тензопреобразователей, в первую очередь, определяется физическими свойствами полупроводников, а также особенностями конкретного конструктивного оформления тензомодуля в корпусе прибора. Рассмотрим эти факторы и некоторые конструктивно-технологические способы термокомпенсации.

Зависимость подвижности и концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры обусловливает температурную зависимость сопротивления ненагруженного TP. Последнюю принято характеризовать температурным коэффициентом сопротивления ТКС, значение и знак которого определяются типом и концентрацией носителей заряда.

Величина ТКС зависит от характера распределения примесей, и, следовательно, будет определяться также и структурой ТР. В равномерно-легированных тензорезисторах ТКС определяется объемной концентрацией примесей, а в диффузионных - поверхностной. На рисунке 2.4 показана зависимость ТКС диффузионных резисторов р-типа от поверхности концентрации NS примесей бора. Как видно из рисунка зависимость имеет минимум при поверхностной концентрации примесей около 3?1019 см-3. Это означает, что для снижения ТКС тензорезистора и влияния на него технологического разброса поверхностную концентрацию, необходимо выбирать вблизи указанного выше значения. Это особенно важно при включении TP в симметричные схемы (мостовые, дифференциальные), так как температурный дрейф нуля этих схем определяется уже не абсолютной величиной ТКС TP, а их разбросом внутри схемы.

Рисунок 2.4 - ТКС и ТКЧ диффузионных тензорезисторов р-типа от поверхностной концентрации примесей бора

Технология ионного легирования позволяет получать ТР, имеющие ряд преимуществ перед диффузионным: широкий диапазон значений удельного поверхностного сопротивления TP; точный контроль концентрации вводимых легирующих примесей, а следовательно, хорошая воспроизводимость характеристик и их малый разброс; линейность вольт-амперных характеристик [6]. Величина ТКС, получаемых ионным легированием структур, зависит от дозы и энергии внедряемых ионов, а также режима отжига. На рисунке 2.5 приведены значения ТКС ионнолегированного резистора при Т = 25 °С в зависимости от температуры отжига ТА [7]. Приведенная зависимость показывает, что изменение только одного параметра технологического процесса (температуры отжига) позволяет варьировать ТКС изготовленных резисторов от отрицательных до положительных значений.

Таким образом, первым конструктивно-технологическим приемом термостабилизации характеристик интегральных тензопреобразователей является правильный выбор степени легирования. Как правило, он определяется в результате компромисса между желаемыми чувствительностью и термостабильностью.

Рисунок 2.5 - Зависимость ТКС ионнолегированного резистора от температуры отжига

Зависимость главных пьезорезистивных коэффициентов от температуры вызывает соответствующую зависимость чувствительности ТП. Последняя определяется температурной зависимостью тензочувствительности TP, которая характеризуется температурным коэффициентом чувствительности. Из рисунка 2.4 видно, что выбор степени легирования ТР определяет не только его ТКС, но и ТКЧ. Изменением концентрации примесей можно получить определенное (требуемое) соотношение между ТКС и ТКЧ, что, в свою очередь, может обеспечить компенсацию температурных погрешностей ТП.

Температурная зависимость тока утечки изолирующего p-n-перехода диффузионных и ионно-легированных тензорезисторов. Ток утечки можно разделить на три составляющие в зависимости от места возникновения носителей заряда: ток термогенерации, ток утечки по поверхности, диффузионный ток [8]. Ток термогенерации определяется термогенерацией внутри обедненного слоя. Ток утечки по поверхности p-n-перехода обусловлен уровнями ловушек на поверхности раздела Si-SiO2. Диффузионная составляющая тока вызвана генерацией неосновных носителей в объеме полупроводника на расстоянии, не превышающем диффузионной длины от обедненного слоя. Согласно экспериментальным данным токи утечки диффузионных и ионно-легированных резисторов с одинаковой геометрией сравнимы друг с другом. Основной вклад вносит составляющая тока утечки по поверхности p-n-перехода. Температурная зависимость тока утечки обусловлена температурной зависимостью собственной концентрации. Так, в интервале температур 25 - 75 °С ток утечки возрастает в 10 раз, а в интервале 75 - 175 °С - в 1000 раз.

Оценим температурную погрешность, вносимую током утечки. Ток через TP положим равным 1 мА, а площадь его поверхности 10-8 м2. Тогда максимальная температурная погрешность составит 4?10-8 %/град в температурном диапазоне 25 - 75 °С. Таким образом, при малой площади ТР токами утечки и их температурной зависимостью можно пренебрегать.

Термоупругие напряжения упругого элемента преобразователя. Причиной термоупругих напряжений может служить неоднородность структуры самого УЭ (мембраны, балки, консоли и др.), например его многослойность. В интегральных тензопреобразователях УЭ выполнен из кремния. При этом его планарная сторона покрыта слоем SiO2, являющимся маской при изготовлении ТР. На обратной стороне слой SiO2, как правило отсутствует, так как с этой стороны производится армирование самого УЭ. Различие температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) кремния и двуокиси кремния вызывает термоупругие напряжения, приводящие к прогибу УЭ. Этот прогиб может оказаться существенным, если толщина слоя SiO2 соизмерима с толщиной кремниевого УЭ.

Саморазогрев тензорезисторов питающим током. В ТП тензорезисторы могут располагаться на УЭ, толщина которого может быть в десятки раз меньше стандартной толщины пластины кремния. Этим обстоятельством объясняется существенно меньшая по сравнению с резисторами интегральных микросхем предельная мощность, которую могут рассеивать ТР. Как известно, в мостовой схеме из термостабильных резисторов начальный разбаланс U0 в широких пределах линейно зависит от напряжения питания Е. В схеме из полупроводниковых TP начальный разбаланс зависит от напряжения линейно лишь до определенного порогового напряжения питания Еп, выше которого заметно сказывается саморазогрев TP протекающим током [9]. Величина Еп зависит от ряда факторов, в числе которых основными являются толщина УЭ и характер расположения и распределения TP (а следовательно, и мощность) по его поверхности.

Кроме разогрева необходимо учитывать также деформацию УЭ вследствие градиента теплового поля, вызванного этим разогревом. Это может привнести дополнительную температурную погрешность.

Для устранения или уменьшения температурных погрешностей от саморазогрева TP необходимо:

- вводить время прогрева ТП, в течение которого устанавливается стационарный тепловой режим, это время составляет несколько секунд;

- расчет параметров ТП, а также цепей их температурной компенсации производить с учетом режимных параметров TP;

- использовать распределенные мостовые схемы для увеличения порогового напряжения питания Еп;

- для обеспечения наилучшего теплоотвода от УЭ выбирать такие топологические варианты, в которых все ТР расположены по периферии мембраны и, желательно, тангенциально.

Делись добром ;)